[論文レビュー] Angular momentum transport in accretion disks: a hydrodynamical perspective

S. Fromang, Geoffroy Lesur|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

High-pressure geophysics and materials被引用数 4

ひとこと要約

このレビューでは、降着円盤における流体力学的駆動の角運動量輸送を検討し、非臨界遷移による乱流、垂直方向の速度勾配不安定性、およびバロクリン不安定性といったメカニズムに焦点を当てる。進展はあるが、観測された輸送を完全に説明する単一の流体力学的メカニズムは存在せず、MRI、VSI、重力不安定性といった複数のプロセスの組み合わせが要請される可能性があり、ALMAの観測が今後、検証の鍵を握る。

ABSTRACT

The radial transport of angular momentum in accretion disk is a fundamental process in the universe. It governs the dynamical evolution of accretion disks and has implications for various issues ranging from the formation of planets to the growth of supermassive black holes. While the importance of magnetic fields for this problem has long been demonstrated, the existence of a source of transport solely hydrodynamical in nature has proven more difficult to establish and to quantify. In recent years, a combination of results coming from experiments, theoretical work and numerical simulations has dramatically improved our understanding of hydrodynamically mediated angular momentum transport in accretion disk. Here, based on these recent developments, we review the hydrodynamical processes that might contribute to transporting angular momentum radially in accretion disks and highlight the many questions that are still to be answered.

研究の動機と目的

• 磁場を含まない条件下で、流体力学的プロセスが降着円盤における外向きの角運動量輸送の主なメカニズムとして成立するかを評価すること。
• ケプラーローのせん断流れにおける非臨界遷移による乱流の理解における最近の進展を評価すること。これは長年の流体力学の課題である。
• 地球物理学的条件下で、垂直方向のせん断、バロクリン、およびストラトロータショナル不安定性といった代替の流体力学的不安定性を検討すること。
• 観測データ（例：ALMAによる低乱流レベル）と角運動量輸送の理論的モデルとの矛盾を解消すること。
• 現在の実験的・数値的・理論的アプローチの限界を特定し、ケプラーローの流れの安定性を解明するための統合的でマルチメソッドの研究を提言すること。

提案手法

• 数値シミュレーション、理論的安定性解析、およびせん断流れに関する実験結果を統合し、流体力学的乱流メカニズムを評価する。
• 線形安定性理論を適用し、異なる円盤構成における垂直方向のせん断不安定性（VSI）やストラトロータショナル不安定性（SRI）の成長率を評価する。
• 特に $N_z \lesssim \Omega$ の条件下で、原始惑星系円盤における熱力学的性質の役割をレビューし、バロクリンまたは VSI 駆動の輸送を促進する条件を評価する。
• 磁気的回転不安定性（MRI）と比較し、MRI の優位性を強調するとともに、弱いイオン化状態や低対比領域における未解決の限界を指摘する。
• 径方向境界や密度対比が、パラロイツォ＝プリング不安定性やストラトロータショナル不安定性といった不安定性に与える影響を評価する。これらの不安定性は、閉じ込められた環境に依存する。
• 外部からの摂動が、非線形的に安定な流れであっても、一時的成長メカニズムを通じて乱流を誘発する可能性を提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非臨界遷移による乱流といった流体力学的不安定性は、ケプラーローの降着円盤における効率的な角運動量輸送を説明できるか？
• RQ2 特に垂直方向のストラトフィケーションと $N_z \lesssim \Omega$ の条件下で、VSI などの流体力学的不安定性を可能にする要因は何か？
• RQ3 ストラトロータショナル不安定性（SRI）やパラロイツォ＝プリング不安定性（PPI）は、径方向の閉じ込めがある現実的な円盤環境においてどれほど頑健か？
• RQ4 最近の ALMA 観測が原始惑星系円盤で非常に低い乱流レベルを示しているが、これは MRI や流体力学的不安定性モデルの予測と矛盾している。その理由は何か？
• RQ5 外部からの摂動が、そうでなければ流体力学的に安定なケプラーローの流れにおいて、どれほどまでに乱流を誘発できるか？

主な発見

• 非臨界遷移による乱流は、依然として流体力学的角運動量輸送の有力候補であるが、その存在と効率性については、降着円盤内での議論が続いており、未解決である。
• 垂直方向のせん断不安定性（VSI）は、$N_z \lesssim \Omega$ の条件下で弱いイオン化状態のストラトフィードな円盤で作用可能であり、外側の円盤領域における輸送の有効なメカニズムを提供する。
• ストラトロータショナル不安定性（SRI）は、径方向の閉じ込めや密度対比に敏感であり、主に惑星のギャップのような局所的領域にのみ関連するものであり、グローバルな輸送には寄与しない。
• パラロイツォ＝プリング不安定性（PPI）は強い径方向境界を必要とするため、グローバルな角運動量輸送を駆動するには不適切である。
• ALMA 観測は、原始惑星系円盤で予想外に低い乱流レベルを示しており、MRI や流体力学的不安定性モデルの予測を挑戦するものである。
• 単一の流体力学的メカニズム、あるいは MRI それ自体でも、観測された角運動量輸送を完全に説明することはまだできない。異なる円盤領域では、複数のプロセスの組み合わせがおそらく必要である。